一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统，包括外框架，所述外框内部设置有具有多点载荷检测功能的挡土结构测力板，所述挡土结构测力板一侧与外框架之间设置有挡土结构位移控制组件，挡土结构测力板另一侧与外框架构成矩形填料箱，所述矩形填料箱内设置有具有模拟砂土宏观平面应力应变特性功能的模拟砂土，所述矩形填料箱上部设置有载荷加载组件，所述外框架前还设置有摄影灯光系统和摄影装置。可以同时测量同一竖直截面的多个测点的土压力的大小和分布情况，采用二维模拟砂土作为填料可以准确消除侧面摩擦的作用，直观的展现出滑裂面的位置。本发明专利技术可靠度高，重复性强，为土压力研究提供了一种新的试验系统。

A two-dimensional visualization system of soil pressure and displacement for retaining structures

The invention discloses a retaining structure displacement and earth pressure of two-dimensional visual test system, which comprises an outer frame, wherein the frame is arranged inside the retaining structure force plate with multi point load detection function, the retaining structure has a retaining structure displacement control component is arranged between the force plate and one side of the outer frame retaining structure, force plate and the other side of the outer frame to form a rectangular packing box, the packing box is provided with a rectangular plane simulation of macro simulation of sand sand stress-strain characteristics of the upper part of the rectangular packing box is provided with a loading assembly, the outer frame is also provided with a photographic lighting system and imaging device. The size and distribution of earth pressure of a plurality of measuring points can be measured simultaneously with a vertical section of the two-dimensional simulation of sand as filler can eliminate the side friction effect accurately and intuitively show the location of slip surface. The invention has high reliability and repeatability, and provides a new test system for the study of earth pressure.

【技术实现步骤摘要】
一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统
本专利技术涉及一种教学演示与模型试验装置，尤其涉及一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统。
技术介绍
挡土结构土压力一直都是土力学研究的热点问题，朗肯土压力和库伦土压力因其公式简洁、适应性强被广泛应用于实际工程中。目前的土压力理论认为挡土结构在背离或向着土体方向移动，当达到极限平衡状态时土体内部出现直线型的滑移面，分别称为主动与被动极限平衡状态，可根据土体单元莫尔-库伦强度理论或建立楔形体滑面极限平衡方程推导极限平衡状态下的挡土墙结构土压力。目前的土压力理论是基于极限平衡条件推导得到的土压力分布与大小，但工程的支挡结构往往不能达到极限平衡状态所需的位移量，尤其是被动极限平衡状态所需的较大位移量。目前的土压力理论包含了诸如填土水平、墙背垂直光滑或滑面为直线型等假设条件，在实际的工程不同边界条件、加载量以及加筋条件下，墙后土压力与理论存在较大差异。中国专利CN102928296A公开一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪，该分析仪的优势特征在于可实现不同挡土墙倾角的模拟。存在的不足如下：1、该分析仪采用方形箱体和砂土材料作为填料，通过方形箱体的透明挡板观察内部填料变形，因此填料不可避免的受到前后挡板的摩擦力及尺寸效应影响，尺寸效应主要指挡板尺寸较小时在内部填料在前后挡板间产生土拱效应。2、该分析仪采用土压力盒在不同介质与相对密度条件下标定系数不断发生变化。对于试验过程中砂土相对密度变化的情况不能有效解决，测试精度有限。3、该分析仪未涉及填料位移测试与滑裂面的识别以及墙后填土加载的模拟。
技术实现思路
本专利技术就是针对现有技术的不足，提供一种挡土结构土压力与位移可视二维试验系统，可以实现主动与被动模式下的挡土墙土压力演示实验，以及纯二维条件下加筋挡土结构和加载工况下的土压力大小、分布以及滑裂面随变形演化的测试。为了实现上述目的，本专利技术所设计的挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统，其特殊之处在于：包括外框架，所述外框内部设置有具有多点载荷测试功能的挡土结构测力板，所述挡土结构测力板一侧与外框架之间设置有挡土结构位移控制组件，挡土结构测力板另一侧与外框架构成矩形填料箱，所述矩形填料箱内设置有具有模拟砂土平面应力应变特性的异形截面棒模拟砂土，所述矩形填料箱上部设置有载荷加载组件，所述外框架前还设置有摄影灯光系统和摄影装置，为了彻底消除摩擦与尺寸效应影响，外框架前后均未设有挡板；所述挡土结构测力板用于测试模拟砂土传递到挡土结构上的土压力；所述挡土位移控制组件用于控制挡土结构测力板相对于模拟砂土的移动量；所述载荷加载组件用于对模拟砂土施加上部荷载；所述摄影灯光系统和摄影装置用于连续采集模拟砂土内部变化特征。进一步地，所述挡土结构测力板包括挡板和若干布置在挡板上的条形测力板，所述条形测力板位于挡板与模拟砂土接触侧，条形测力板之间的间隙小于模拟砂土异形截面棒尺寸以防止异形棒漏入。更进一步地，所述条形测力板采用精密载荷计制成，可精确的测量异形棒传递到挡土结构上的土压力，避免采用砂土模拟时采用土压力盒带来的测量精度问题。再进一步地，所述条形测力板设置有16个，在挡板上从上到下等间距布置，实现通长范围的压力测试；再进一步地，所述挡土结构位移控制组件包括安装板、丝杆升降机、滑轨，所述安装板设置在外框架内壁上，所述挡板中部与丝杆升降机连接，所述丝杆升降机通过支架固定在安装板上，所述挡板下端通过滑轨连接在安装板上。安装板与外框架紧密连接，并与丝杆升降机、挡板形成可靠的系统，刚度足够支撑丝杆升降机精确的控制挡板产生所需的位移量。再进一步地，所述载荷加载组件包括与模拟砂土接触的刚性承载板，所述刚性承载板上设置有可伸缩杆连接杆，所述可伸缩连接杆通过测力环与千斤顶连接，所述千斤顶设置在外框架内顶面。用于模拟对挡土墙后土体顶部的加载。再进一步地，为构建纯二维的实验条件，所述模拟砂土由3种以上不同尺寸的异形截面棒材混合而成。其中异形截面指截面为非圆形，采用非圆形异形钢板的优点在于考虑了颗粒的形状因素对强度，即剪胀性的影响，提高了单位颗粒平均接触点数量，即配位数，从而使得堆积体的平面应力应变性质与砂土更为接近；再进一步地，所述模拟砂土采用退火201不锈钢材料制成，其表面摩擦系数与石英砂表面摩擦系数接近。其重度达到砂土材料3~5倍，模型试验相似比增大3~5倍，提高了模型试验与实际工程的相似性；优选地，所述模拟砂土分层填筑，层与层之间设置有由土工材料制成的加筋层，用于以模拟加筋土。本专利技术的优点在于：本专利技术挡土结构测力板与挡土结构位移控制组件通过滑轨相连接，在升降机的作用下可以沿着滑轨移动。其中，挡土结构测力板采用精密载荷计制作，解决了土压力测试精度的问题。挡土结构位移控制组件中，通过丝杆升降机手轮精确的控制挡土板产生后退、前进。挡土板上通长范围内安装多块载荷计及条形承载板组成的条形测力板，可通过连接静态应变仪精确测试传递到挡土结构上的土压力。模拟与演示主动、被动极限平衡状态的土体滑裂面与土压力分布，并对挡土结构移动过程中的土压力分布变化与滑裂面形成与演化过程，通过模型试验装置可以捕捉颗粒位移，分析得到滑裂面演化过程。采用模拟砂土作为填料，该模拟砂土采用不同尺寸的异形钢棒混合而成，构建了纯二维的试验条件。模拟砂土分层填筑，层间可以采用土工材料进行加筋以模拟加筋土。模拟砂土填料顶部可通过载荷加载组件进行加载。二维模拟砂土的变形与滑裂面形态通过摄影灯光系统和摄影装置采集。引入了基于图像测量的非接触式位移测试与滑裂面识别技术，提高了位移捕捉与剪切面识别的精度，将定性研究转化为定量研究。可以对朗肯土压力理论进行演示试验，并可以进行不同加载条件的模拟。通过试验条件的进一步简化与测试技术的革新，大大提高了测试精度以及模型试验的可重复性。利用丝杆升降机精确的控制挡土结构的位移量，追踪填料内部的变形，对挡土结构位移过程中的土压力与滑裂面演化过程进行量化分析。本专利技术可靠度高，重复性强，为土压力研究提供了一种新的试验系统。附图说明图1为本专利技术一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统结构示意图。图2位图1中I-I剖面图。图3是优选的3种椭圆钢棒模拟砂土截面。图4是丝杆升降机支架侧视图。图5是底板侧视图。图6是测力板正视图。图7是测力板侧视图。图8是测力板俯视图。图9是滑轨的侧视图。图10是滑块的侧视图。图中：挡土结构测力板D，挡土结构位移控制组件K，矩形填料箱T，载荷加载组件Z，外框架1，底板2，丝杆升降机支架3，丝杆升降机4，滑轨5，挡板6，条形测力板7，模拟砂土8，千斤顶9，测力环10，可伸缩连接杆11，刚性承载板12，摄影灯光系统13，摄影装置14，A、B和C表示模拟砂土钢棒的型号。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述：如图所示的挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统，包括外框架1，所述外框架1内部设置有具有多点载荷检测功能的挡土结构测力板D，所述挡土结构测力板D一侧与外框架1之间设置有挡土结构位移控制组件K，挡土结构测力板D另一侧与外框架1构成矩形填料箱T，所述矩形填料箱T内设置有具有模拟砂土宏观平面应力应变特性功能的模拟砂土8，所述矩形填料箱T上部设置有载荷加载组件Z，所述外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统，其特征在于：包括外框架（1），所述外框架（1）内部设置有具有多点载荷检测功能的挡土结构测力板（D），所述挡土结构测力板（D）一侧与外框架（1）之间设置有挡土结构位移控制组件（K），挡土结构测力板（D）另一侧与外框架（1）构成矩形填料箱（T），所述矩形填料箱（T）内设置有具有模拟砂土宏观平面应力应变特性功能的模拟砂土（8），所述矩形填料箱（T）上部设置有载荷加载组件（Z），所述外框架（1）前还设置有摄影灯光系统（13）和摄影装置（14）；所述挡土结构测力板（D）用于测试模拟砂土传递到挡土结构上的土压力；所述挡土位移控制组件（K）用于控制挡土结构测力板（D）相对于模拟砂土（8）的位置；所述载荷加载组件（Z）用于对模拟砂土（8）施加压力；所述摄影灯光系统（13）和摄影装置（14）用于连续采集模拟砂土（8）内部变化特征。

【技术特征摘要】
1.一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统，其特征在于：包括外框架（1），所述外框架（1）内部设置有具有多点载荷检测功能的挡土结构测力板（D），所述挡土结构测力板（D）一侧与外框架（1）之间设置有挡土结构位移控制组件（K），挡土结构测力板（D）另一侧与外框架（1）构成矩形填料箱（T），所述矩形填料箱（T）内设置有具有模拟砂土宏观平面应力应变特性功能的模拟砂土（8），所述矩形填料箱（T）上部设置有载荷加载组件（Z），所述外框架（1）前还设置有摄影灯光系统（13）和摄影装置（14）；所述挡土结构测力板（D）用于测试模拟砂土传递到挡土结构上的土压力；所述挡土位移控制组件（K）用于控制挡土结构测力板（D）相对于模拟砂土（8）的位置；所述载荷加载组件（Z）用于对模拟砂土（8）施加压力；所述摄影灯光系统（13）和摄影装置（14）用于连续采集模拟砂土（8）内部变化特征。2.根据权利要求1所述的挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统，其特征在于：所述挡土结构测力板（D）包括挡板（6）和若干布置在挡板上的条形测力板（7），所述条形测力板（7）位于挡板（6）与模拟砂土（8）接触侧，所述条形测力板之间的间隙小于模拟砂土异形截面棒尺寸以防止异形棒漏入。3.根据权利要求2所述的挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统，其特征在于：所述条形测力板（7）采精密载荷计制成。4.根据权利要求3所述的挡土结构土压力与位...

【专利技术属性】
技术研发人员：芮瑞，叶雨秋，孙义，万亿，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42